人工智能基础
本课程推荐教材及与课程学习目标对应关系如下：
1. 授课教材：《人工智能》丁世飞编著电子工业出版社 2020年第三版ISBN：9787121363955。
（1）教材特点：《人工智能导论（第3版）》主要阐述人工智能的基本原理、方法和应用技术。全书共13章，除第1章讨论人工智能基本概念、第13章讨论人工智能的争论与展望外，其余11章按照“基本智能+典型应用+计算智能”三个模块编排内容。一个模块为人工智能经典的三大技术，分别为知识表示技术、搜索技术和推理技术，主要包括知识表示、确定性推理、搜索策略、不确定性推理；第二个模块为人工智能的典型应用领域，包括机器学习、支持向量机和专家系统；第三个模块为计算智能与群智能，包括神经计算、进化计算、模糊计算和群智能。
本课程主要选用了本教材的第一稿模块，即知识表示技术、搜索技术和推理技术中相关的内容。
（2）使用方法：本教材对应课程学习目标1-5，可以做到对课程内容前半部分的全覆盖，请同学们学习完视频之后，一定要详细阅读教材中的对应部分，并针对课后习题进行联系，能够有效提高学习质量；
2、本课程参考了大量网络上的课程。对应课程学习目标6-8，包括：
https://stanford-cs221.github.io/spring2021/
https://cse.iitkgp.ac.in/~dsamanta/courses/da/
百度飞桨师资培训的机器学习和深度学习的内容。
https://easyai.tech
此外还有参考百度百科、B站、以及知乎和CSDN等各类科技网站。
在此表示感谢！
《人工智能导论》教学大纲（含课程思政内容）
05
教学内容和课时安排（含课程思政内容）
（一）课程学时分配
（二）课程思政参考内容
（三）课程教学内容与重点难点
第1章人工智能导引
教学目的：了解人工智能的概念、学习人工智能的目的和意义、应用；了解人工智能的分支。
教学内容：人工智能的概念、应用场合；人工智能的分支。
重点难点：重点是了解人工智能的分支，难点是人工智能各个分支之间的关系。
第2章Python基础知识
教学目的：了解Python在不同环境下的安装；熟练使用python的基本编程，包括各种数据结构；掌握第三方模块的安装和使用，文件的读写；掌握NumPy包的熟练使用；掌握Python的绘图基础。
教学内容：编程基础（列表、元组及字典、基本语句；函数）；模块的安装与使用；文件的读写；NumPy的使用；Python的绘图基础。
重点难点：重点是使用Python进行相关的编程，如NumPy的编程，绘图基础等。难点是使用NumPy进行较为复杂的开发与绘图。
第3章机器学习初步
教学目的：了解机器学习的概念、其与人工智能的关系、机器学习的分类；了解数据预处理与特征工程，包括数据清洗、数据变化、过滤、特征工程；熟练使用Sklearn包；熟练使用回归分析。掌握聚类的基本原理与常见的聚类算法。
教学内容：机器学习及其工作流程；机器学习的分类；数据预处理与特征工程；Sklearn库的使用；逻辑回归分类和线性回归预测；聚类的原理与K-Means聚类算法。
重点难点：重点是机器学习的流程与Sklearn的实践。难点是聚类算法及其调优。
第4章自然语言处理
教学目的：了解自然语言处理的概念；掌握文本分词与词汇还原的方法；掌握文本分块与词袋模型；熟练使用TF-IDF算法，并据此构建文档类别预测器。
教学内容：自然语言处理的概念；文本分词与词汇还原；文本分块与词袋模型；文档类别预测；语义分析器；主题模型。
重点难点：重点是文本分词及其文档类别判断的方法。难点是语义分析器的理解与实现。
教学目的：了解处理语音信号的方式，可视化处理的过程；掌握处理语音信号的的相关技术；能够独立建立一个英文的语音识别系统。
教学内容：处理语音信号；可视化音频信号；音频信号从时域转换到频域；生成音频信号的方法；提取语音特征；构建语音识别系统。
重点难点：重点是语音特征的提取策略和方法；难点是构建语音识别系统，尤其是适当结合深度学习机制进行语音信号的识别。
第6章计算机视觉
教学目的：了解什么是计算机视觉,掌握安装流行的计算机视觉库—OpenCV。了解利用帧间差分法检测视频中的移动部分。掌握使用色彩空间和背景差分法来跟踪对象,使用CAMShift算法来构建一个目标跟踪器,并学习光流的基本知识。熟悉人脸检测的相关概念,构造一个人脸检测和跟踪器。
教学内容：计算机视觉的概念；OpenCV介绍；视频中移动物体检测方法；目标跟踪器的构建；基于光流的跟踪；Harr级联和积分图；人脸检测与跟踪。
重点难点：重点是熟悉基于OpenCV进行的各种视觉处理方法，为进一步深入视觉学习奠定基础。难点是人脸检测和跟踪，尤其是复杂的场景，如戴口罩情况下。
第7章人工神经网络
教学目的：了解什么是人工神经网络，熟悉如何建立人工神经网络；了解感知器，掌握基于感知器构建一个分类器；掌握单层和多层神经网络；掌握循环神经网路。
教学内容：神经网络的概念；建立和训练人工神经网络；感知器；构建单层人工神经网络和多层人工神经网络；循环人工神经网络；构建光学字符识别引擎。
重点难点：重点是熟悉构建单层、多层以及循环神经网络；难点是神经网络的使用，如利用神经网络来构建一个光学自负识别引擎。
第8章强化学习与深度学习
教学目的：掌握强化学习的概念及其表现；了解深度学习以及卷积神经网络；熟练使用卷积神经网络构建简单的应用。
教学内容：强化学习的概念；深度学习的概念；卷积神经网络；利用卷积神经网络建立图像分类器。
重点难点：重点是深度学习及其使用；难点是利用卷积神经网络进行实际的应用开发，尤其是其可解释性问题是需要学生简单了解的。
第9章区块链
教学目的：了解区块链的基本概念；掌握区块链和人工智能的关系；了解如何利用人工智能技术对区块链进一步优化。
教学内容：区块链概念；人工智能与区块链；在区块链中使用朴素贝叶斯；优化区块链。
重点难点：重点是区块链概念的理解，产生的原因的深入分析；难点是如何充分的利用区块链技术进行多方向（领域）融合的设计与开发，包括在教育领域、知识产权保护等等。
第10章人工智能算法
教学目的：了解人工智能常用的启发式算法；掌握其基本的思想方法；掌握遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法等。
教学内容：启发式搜索算法；遗传算法；模拟退火算法；蚁群算法。
重点难点：重点是掌握典型的启发式算法，如遗传算法、模拟退火等；难点是这些算法优化的特定目标和适用的场景；同时，也希望同学能够探索一些其它的启发式算法，并进一步比较分析，这也是本章的另一个难点。
06
课程教学方法
本课程教学采用以多媒体教学为主，以板书为辅的教学方式，并加强图示教学和实例教学以增强学生的学习兴趣并加深学生对重点知识以及理论与实际工程问题相结合的理解。
1、教师课堂讲授：基本概念和核心知识内容的传授，由主讲教师完成。
2、课堂讨论：要求学生以小组的形式对所学的知识点进行现场讨论。
3、MOOC：对课程的一些知识点采用国内外知名专家学者的视频公开课进行知识的传授。
4、SPOC：对于授课难点问题尤其是实际运用的问题时，采用翻转课堂的形式积极引导学生的参与意识，提高学生的创新能力。
5、学生/项目组讲授/表达：学生小组讨论，对于常识性的知识点的表达，提高学生的沟通和表达能力。
07
课程学习资源
1.教材
《人工智能导论（Python版）微课视频版》
ISBN：978-7-302-57239-8
作者：姜春茂
定价：49元
｜学习资源｜
500分钟视频、PPT课件、示例源码、习题答案。返回搜狐，查看更多
人工智能入门（二）（简述、理论基础、历史和发展现状）
人工智能的八个理论基础：哲学、数学、经济学、神经科学、心理学、计算机工程、控制理论和控制论、语言学。
数学对人工智能的理论支撑包括三个方面：（1）逻辑学：得出正确结论的形式规则。发展：命题逻辑，即布尔逻辑——一阶逻辑，扩展布尔逻辑，增加了对象和关系——指称理论，揭示如何将逻辑中的对象与对象相关联。（2）计算：研究什么是可计算的。发展：描述可计算的函数——提出计算的易处理性概念——提出了NP完全性理论。NP完全性理论：P（确定多项式时间的问题）、NP（不确定性多项式时间的问题）、NPC（NP完全性问题，是NP中最难的问题）。它是计算复杂性理论中的一个重要概念，它表征某些问题的固有复杂度。一旦确定一类问题具有NP完全性时，就可知道这类问题实际上是具有相当复杂程度的困难问题。（3）概率：研究如何根据不确定信息进行推理。发展：将概率描述为博弈事件中可能的结果——推进这一理论，并引入了新的统计学方法——提出贝叶斯规则，成为不确定性推理的现代方法基础。
神经科学研究大脑如何处理信息：神经科学研究神经系统，尤其是大脑。大脑在记性决策方面（预测和仿真是决策关键）非常优越，且不像软件那样模块化。大脑中神经元的数量基本上固定的，计算机中处理单元的数量每五年增加十倍。
认知心理学研究人类如何思考与行动：把大脑看作是信息处理设备，是研究心智过程的学科。研究方面：注意机制（意识集中在某个有用的感知信息子集的状态）、语言应用（研究语言习得、语言形成的组件、语言使用的语气及其他相关领域）、记忆（包括三个子集：过程、语义和情景）、感知（研究人类物理感知及认知过程）、问题求解、创造力、思考。元感知是关于认知的认知，有两个组成部分：关于认知的知识，以及认知的调节。认知心理学是研究人脑如何接受外部世界的输入，如何处理以及作用等；认知科学则是研究如何在大脑中形成以及转录过程的跨领域学科，关注于通过研究收集数据。
控制理论与控制论研究机器如何能在自身的控制下运行：控制理论是工程与数学的交叉学科分支，研究处理动态系统对输入的行为，以及该行为如何通过反馈进行调整。控制论是跨学科的研究途径，探索调控系统的结构、约束和可能性，1948年被定义为“研究动物与机器的控制与通信的科学”，21世纪被简单解释为“用技术控制任何系统”。
中小学人工智能课程内容设计及实施案例分析
我国中小学人工智能教育取得飞速发展与瞩目成绩的同时，也存在以下几点主要问题。
其一，缺乏完善的课程体系，无论是国家课程还是校本课程，人工智能教育都是依托其他课程开展的，这导致了人工智能教育内容分量难以确定，目标难以明晰。横向来看，教学内容过于碎片化，学生难以构建相关知识体系；纵向来看，学段间的人工智能教育内容联系不够紧密，这既不利于学生循序渐进的知识与技能学习，也使得教师难以把握学情从而导致教学目标与教学效果之间的落差。此外，现阶段中小学人工智能教育的教材大多属于产品说明书或用户指南[4]。
二、中小学人工智能课程设计
表1中小学人工智能课程目标及内容架构
人工智能技术虽然复杂深奥，但是其应用广泛且贴近生活，知识内容间紧密联系，对学生而言并非是不可感知、无法构建的。以人工智能为依托培养学生的计算思维、智能素养也并非是难以实现的。教师如何设计人工智能课程内容以及课程间以何种方式组织就显得尤为重要。
（一）中小学人工智能课程内容设计案例
下面，以初中年级人工智能课程中的“智能灯”为例对中小学人工智能的课程内容设计做详细阐述。“智能灯”一课意在通过学生对于生活中常见情境下智能灯的设计了解其背后设计原理，能够通过模块化程序设计和python代码编写出智能灯的程序，激发学生对于人工智能在生活中应用的兴趣。“智能灯”课的具体课程内容设计如图1所示：
图1以“智能灯”为例的人工智能课程内容设计
1.问题提出，明确任务
问题提出：绿色、环保、节能、和谐是当今生活的主旋律，智能灯的出现深化了人类与灯光之间的关系。请同学们结合生活实际谈一谈你所了解的智能灯！
明确任务：明确智能灯的设计要求——内置监测外界光线强度传感器，当光敏值大于700时，灯自动打开，当光敏值小于700时，灯自动熄灭。
2.深入探究，设计展示
深入探究：请学生利用可视化工具，例如思维导图，深入理解智能灯的设计要求，分析其所需要的元器件并搭建其真实应用的简易场景。
设计展示：小组通过分工利用模块化程序语言和python语言对智能灯进行设计，调试形成小组作品，并对本组作品进行演示和分享，讨论这两种不同的计算机语言在应用时的异同之处。
3.总结反思，拓展提高
以思维导图的形式回顾智能灯设计的全过程。在实际生活中往往面临着更为复杂的情境，当外界光线昏暗，智能灯会自动给打开且不能自动关闭，这也造成了一种资源浪费。进而引发学生对智能灯更深入的思考，完善、改进作品设计，为之后的课程内容做好准备。
本案例从生活实际出发引发学生的学习兴趣，在内容设计过程中通过对可视化工具的利用帮助学生理清思维脉络，不仅重视学生对模块程序和计算机语言的学习利用，更是通过比较二者的语言风格加强学生对编程的深入理解，进而培养学生的计算思维。
（二）中小学人工智能课程组织案例
人工智能虽然是一个知识体系丰富的新兴技术领域，其内容架构设计包含人工智能基础、算法与编程、机器人与智能系统等多个模块。表面看起来是彼此独立、互不关联的内容，但实际上，无论是技术特点还是知识内容都是可联系、可互通的。忽视了课程内容间的联系、放弃将内容整合成为模块是无法将人工智能的原理与技术讲解透彻的，也无法将计算思维和智能的培养渗入课堂。因而，以综合任务为导向的模块化组织中小学人工智能课程不仅能够有效帮助学生构建人工智能知识体系，更有助于教师组织形式丰富、内容多样的系统课程，增加课堂趣味性、有效性。
以“模拟城市交通系统”为例组织相关课程内容。如图2所示，智能路灯、自动道闸、智能信号灯、环线巴士、无人加油站原本都是独立的课程内容，根据课程与生活实际的联系整合成模拟城市交通系统为主题的模块。教师利用5-10个课时实践此模块，引导学生设计完成模拟城市交通系统这个综合任务实践每课内容，帮助学生在体验人工智能的同时，创造性地应用人工智能解决实际问题。
图2“模拟城市交通系统”课程模块
三、中小学人工智能课程实施策略
（一）跨学科整合式教学
人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。它的涉及领域除了计算机科学外，更包括了生物学、心理学等。跨学科的整合能够将数学、生物、神经科学等多学科知识与人工智能知识相融合、渗透。在这个过程中，教师不仅能够利用其他学科知识帮助学生理解人工智能知识内容，更利用其他学科思维帮助学生培养计算思维的核心素养。跨学科整合式的教学是将人工智能学科与其他相关学科进行融合，以项目形式实践课程内容，利用人工智能技术创造性地解决实际生活问题。以“机器视觉”一课为例设计如下，这一课中，教师将人工智能中机器视觉的知识与神经科学相结合（如图3），以人是如何看到事物的为导入，进而类比解释机器是如何“看到”事物的。该教学设计在渗透了脑科学知识的基础上，帮助学生联系生活实际体验人工智能的应用与价值。
图3“机器视觉”与神经科学知识融合
（二）情境游戏化教学
由于中小学学生的认知水平存在局限性和差异性，以及人工智能领域知识特性，学生难以通过讲授和演示直接理解课程内容。人工智能技术的发展也为创设情境提供了条件，教师完全可以利用人工智能技术的应用反哺课堂教学，帮助学生增强学习的体验感，对人工智能技术形成直观、形象的理解。借助游戏化的角色、模式以及元素，为学生提供丰富、有趣的学习内容；通过机制、增益等策略，能够丰富学习者的经历和体验，同时提高学习者在活动中的参与率和巩固率[9]。因而，将情境的创设与游戏化学习相结合，有利于增强人工智能教学课堂的趣味性、个性化。例如东南大学举办的人工智能为主题的夏令活动中实施的“火灾演练”，要求学生扮演消防员在模拟灭火行动中完成救援。创设的火灾情境融合机器人小车巡线、FPV第一视角等教学内容。氛围营造、综合竞赛及消防员的角色扮演都极大激发了学生的课堂兴趣及参与感。该项目在实践中得到了学生与教师的一致肯定。该设计能够帮助学生将人工智能知识与生活实际相联系，建构开源硬件的知识体系。鼓励学生在游戏化式轻松的教学环境中大胆创新。从而达到培养学生核心素养与创新能力的目标。
表2“火灾演练”项目内容
面向中小学开展人工智能课程有利于学生了解现代科技发展、适应未来生活有着重要的意义。目前，我国中小学人工智能教育尚在探索发展阶段，无论是课程内容的设计还是其组织方式、或是教学策略均未成型，本研究希望借以案例的分析，促进研究者对中小学人工智能课程设计广泛、深入的思考。
参考文献
[1]国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[EB/OL].
[2]教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知
[3][7]谢忠新,曹杨璐,李盈.中小学人工智能课程内容设计探究[J].中国电化教育,2019(4):17-22.
[4]徐多,胡卫星,赵苗苗.困境与破局:我国机器人教育的研究与发展[J].现代教育技术,2017,27(10):94-99.
[5]周邵锦,王帆.K-12人工智能教育的逻辑思考:学生智慧生成之路——兼论K-12人工智能教材[J].现代教育技
术,2019,29(4):12-18.
[6]解月光,杨鑫,付海东.高中学生信息技术学科核心素养的描述与分级[J].中国电化教育,2017(5):8-14.
[8]李德毅.AI——人类社会发展的加速器[J].智能系统学报,2017,(5):583-589.
[9]祝智庭,魏非.教育信息化2.0:智能教育启程,智慧教育领航[J].电化教育研究,2018,39(9):5-16.
东南大学百研工坊：21世纪是我国创新型人才培养的关键期。东南大学百研工坊（儿童发展与教育研究所）结合信息技术、生物医学工程、脑科学技术，进行青少年科学素养的国际比较研究和学生核心概念掌握水平的评测系统的研究与开发，我们的目标是：（1）面向中小学学生综合能力发展的steam研究；（2）通过实证教育研究，探究科学素养的本质及有效的培养途径；（3）将科学素养的传统评测方法与现代信息技术相结合，探究基于ECD模型的学生科学素养评测方法研究；（4）运用ERP、EEG和眼动等脑科学技术，开展对学生核心概念熟练掌握程度的评测研究。
责编：罗培
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